I. 제목
자원순환형 철골조 유닛모듈라 주택개발연구
II. 연구의 개발 목적 및 필요성
건축분야는 국가 오염 총량의 1/3을 차지하고 이 가운데 주택 및 상업건축물 부문이 국가에너지의 소비의 25.7%(2000년 기준)를 차지하고 있다. 따라서 건축물을 폐기하거나 개·보수를 통하여 수명을 연장하여 폐기량을 줄이고 재생 활용량을 증가시키는 것은 자원축적이라는 측면에서 중요하다.
이러한 폐기물처리 문제에 대한 기본적인 대책으로는, 폐기물을 배출하지 않는 것, 폐기물을 배출하지 않는 경우라 할지라도 가급적이면 폐기물 발생량을 억제하는 것이 요구된다. 즉 건축분야에서도 순환형 건축을 위해 폐자재의 발생을 억제(Reduce)하고 재사용(Reuse)하고 재생하여 활용(Recycle)하는 3R에 대한 관심이 높아지고 있다.
ㆍ 설계단계에서는 reuse (리사이클재의 재이용율)를 높이고,
ㆍ 시공단계에서는 reduce (폐기물의 발생억제)의 철저한 추구를 필요로 하며
ㆍ 해체단계에서는 가능한 한 자재의 recycle (부산물의 리사이클화)의 실현을 지향하게 된다.
이에 본 연구에서 개발하고자 하는 “자원순환형 철골조 유닛모듈라(Unit Modular) 주택”은 『고품질의 주택을 3R의 관점에서 자원의 재활용을 도모하는 한편 일정 품질을 확보하고, 많은 고객에게 공급할 수 있도록』 시스템화 하는 기술로 완성도가 높은 박스형 철골조를 공장에서 생산하고, 현장에서는 최소한의 공정으로 단기간에 완성해 나갈 수 있도록 하는 주택건축방식이다.
또한 기존의 조립식 주택이 갖고 있는 저가격 주택 및 가설 주택의 이미지를 탈피한 고급주택의 이미지와 첨단 고기능의 요소를 활용하여 안전하고 쾌적한 새로운 개념의 조립식 주택 시스템을 개발하고자 궁극적으로 제조업의 자동차 생산시스템을 추구하고 있다.
이에 본 연구에서는 이 기술을 유닛모듈라 주택에 응용하여 (1) 외관 디자인, DB 구축 (2) MC 설계, 구성재표준화, 성능설계를 위한 재료선정 (3) 공장Layout, 공장 설계 (4) 견적프로그램, 재고시스템, 운반시스템 (5)After Service system을 제안하고자 한다.
그리고 Reuse나 Reduce를 위해서는 부품화가 필요하며 부품화의 효과는 설계의 자동화를 통해 극대화될 수 있다. 기존의 설계자동화 프로그램은 대부분 설계도면을 생산하는 것에 초점을 맞추고 있기 때문에 주택 설계에 따르는 일련의 과정을 일괄 처리하지는 못하는 상황이다.
유닛모듈라 주택은 일괄처리 개념을 설계자동화 프로그램에 부여하여 건축설계, 구조설계 및 시공을 하나의 프로세스로 통합하여 주택 설계를 용이하고 정확하게 하고자 한다. 이에 부품 데이터베이스, 유닛 데이터베이스를 구축하고 3차원 그래픽으로 확인할 수 있으며, 구현된 유닛모듈라 주택의 설계도면, 물량산출 및 구조검토를 즉시 수행할 수 있도록 한다.
본 연구의 주요 내용은 다음과 같이 3개의 영역으로 구성하였다.
첫째는 설계 및 구조시스템 개발, 둘째는 공장생산 자동화 및 현장시공메뉴얼 개발, 셋째는 설계자동화 시스템 개발로 세분화하였다.
III. 주요연구 내용 및 결과
가. 설계 및 구조시스템 개발
본 연구에서 설계부분은 기본 유닛을 적용한 유닛DB 구축, 유닛모듈라 배치계획, 부품 접합부 설계지침, 설계원형(Prototype)개발 등 4가지로 구분하였다. 구조부분은 구조안전성에 관한 연구로서 기둥-보의 접합부 강도평가, 단위유닛의 비선형 해석, Prototype에 대한 구조해석으로 정리하였다.
1)유닛DB에 적용되는 기본 유닛은 메인유닛과 하프유닛으로 구분하며, 메인유닛에는 3600×2400, 4200×2400, 5400×2400, 하프유닛은 3600×1050, 4500×1050, 5400×1050을 적용한다. 이 유닛 사이즈는 안목치수를 기준으로 한다.
2)유닛DB 구성은 유닛 사이즈별로 구분 → 공간 용도별 구분 → 해당 공간 치수별 구분으로 한다. 즉, 유닛DB에는 공간DB의 내용도 포함되어 있다.
3)유닛 배치시 설계기준은 평행배치, 직교배치, 하프유닛 배치로 구분하여 정리하였고, 평면을 구성하는 원칙으로 2가지 이상의 용도가 결합되는 경우의 모듈 적용 방안을 제시하였다.
4)설계원형(Prototype) 개발은 전원형, 도시형, Pilot Project 3가지 유형으로 제안하였다. 전원형은 2층 이하의 단독주택으로 기본 유닛을 적용하여 평면을 구성하였고, 도시형은 3열 3행 평행배치를 하는 3층의 집합주택으로 기본유닛을 적용하였다. Pilot Project는 기본유닛에 3M 증분치수를 적용하여 4200×2400, 5100×2400 유닛을 사용하였으며, 수요자 요구 대응형 평면을 계획하였다.
5)본 연구에서 제시된 브라켓 보강형 접합부는 접합부의 파괴 없이 C형강 보의 국부좌굴로 최종 횡좌굴에 의해 강도가 지배되는 것으로 파악되었으며, 본 연구의 접합부는 아무런 영향이 없는 것으로 판단된다.
6) 비선형 해석 결과로부터 기존 설계방법에 따른 횡변위와 비교하였을 때, 본 연구에서 사용된 부재와 단위 유닛에 대한 횡변위는 해석적으로는 충분한 강도와 안전성을 확보하는 것으로 판단할 수 있다.
나. 공장생산 자동화 및 현장시공 매뉴얼 개발
유닛모듈라 주택 개발에서는 대량생산을 위한 생산 설계 연구의 최적화가 중요하다. 이러한 대량생산 체제를 갖추기 위해서는 설계의 표준화를 근거로 구조체 제작 공장과 내부 마감별 생산체제를 갖추어야 한다.
1)유닛모듈라 주택의 생산설계 순서는 생산단위 설정-비용 체크-joint detail 설정-시작분석과 피드백 설계-부품설계-판매, 공급, 생산단계가 된다. 생산 과정의 증대에 따른 유닛모듈라 주택으로서의 유동성이 보다 확대되도록 부품설계, 개량 설계를 반복해 간다.
2)현장시공 매뉴얼은 운반 및 양중계획-기초 및 철근콘크리트 공사-앵커기초 시공-유닛모듈라 설치-내부마감공사로 구분할 수 있다.
3)유닛모듈라 공장의 생산 라인은 구조체 제작은 자재 및 부재 반입에서부터 마감공장에 유닛을 이동하는 작업과 내외장 마감은 구조제 마감에서부터 내장마감, 전기설비 공사 작업까지 정리하였다.
다. 자동화 시스템 개발
자동화 시스템 개발부분은 유닛DB시스템 설계, 유닛 구조검토 모듈 구현, 물량산출 프로그램 개발로 구분된다.
1)유닛DB 시스템은 기본엔진, 그래픽 엔진, 구조해석 엔진으로 구분하며 각 세부적인 연산 함수를 통해 유닛DB를 구축한다.
2)유닛DB 및 부품DB를 통해 수요자가 원하는 평면을 구성할 수 있고, 유닛을 적용한 평면을 도출 할 수 있다.
3)단위유닛에 대한 구조검토 모듈로 고정하중, 적재하중, 풍하중, 설하중 등의 구조해석을 실행하여 변형도, 반력도, 부재력도와 같은 결과를 확인 할 수 있다.
4)자동 물량산출 프로그램은 기본유닛에 구성되는 기본적인 부품 내역을 입력하여 물량산출을 할 수 있다.